1 煙葉復烤是煙葉從農產品轉變到工業生產原料的一個整理和準備性的加工過程,是煙草整體加工中非常重要的環節,它是在烤煙生產的基礎上形成的,同時煙葉復烤作為一個產業并逐步發展到規模化和工業化,與較大規模的煙葉商品化和卷煙的工業化是密不可分的.煙葉復烤主要用途是對打葉分離之后的煙葉片進行處理,使葉片的水分,溫度達到規定的工藝技術指標.(國內某一復烤企業為例)煙葉復烤機按工藝特點主要分干燥段,冷卻段和回潮段,煙葉復烤機干燥段分五個區,冷卻段為一個區,回潮段有4個區. 2 目前復烤生產線主要采用 PLC 模塊和單回路儀表等對復烤機的生產進行控制,現場配置了操作站,同時建立了中央監控系統,國內多數復烤企業生產線的自動化水平較高,但在一些環節上仍存在一定的問題:如回潮段煙葉出口水分控制目前處于人工調節,產品質量存在一定的波動,其控制依賴操作人員的水平高低及熟練程度,出口煙葉水分受操作員工對設備的熟悉程度,操作經驗的多少,來料情況,設備工況等因素干擾 .因此對其進行研究改進,對提高產品質量,保持產品質量的穩定性及連續性,提高煙葉加工質量水平,具有較大的經濟效益和品牌效益.與流程行業其他過程比較,煙葉復烤過程具有其明顯的特點,是一個多干擾,強耦合,大滯后,非線性,不確定的大熱容過程.在生產過程中,始終存在著具有一定溫度,濕度,壓力,流速的傳熱介質 ( 熱氣體 ) 與煙葉在相對運動過程中發生熱交換作用,從而達到煙葉的干燥,冷卻,回潮等目的.不同過程的任一區段溫度,濕度的變化,都會影響到其后各區段參數的變化和出口煙葉水分含量的變化,這就使建立系統的機理模型變得相當復雜.因此復烤過程出口水分運用簡單的 PID 控制算法難以達到閉環自動控制的目的,更無法保證控制的精度.具體表現在以下幾個方面: 1 )干擾因素多:入口煙葉的水分,溫度,產地,品種,等級對出口水分都有非常重要的影響;加熱蒸汽和回潮蒸汽的壓力,溫度以及飽和程度直接影響出口煙葉的水分和溫度;環境空氣的溫度,濕度對冷卻階段的煙葉水分和溫度也有較大的間接影響. 2 )測量儀表存在一定的問題,特別是紅外水分儀精度受外界的影響較大,基準值易發生漂移,冷房水分儀表測量值受電噪聲的污染,測量值波動頻繁,嚴重的影響了閉環控制的性能. 3 ) 生產過程特性多變 :受前部打葉過程的影響,煙葉進料流量,煙葉喂料機的速度有時需要進行調整來滿足生產的連續,這樣就導致了過程的特性參數發生改變;同時,煙葉復烤在高溫,高濕和粉塵等環境下工作,設備也會發生異常,在這種情況下,操作人員需要隨時改變工藝操作,使過程特性具有多樣性,難以實現穩定的 PID 閉環控制. 4 ) 水分的控制是一個大滯后過程 :往往在出口水分發生變化后,再對其進行控制是不及時的,造成的直接后果是水分在設定值上下波動,不能穩定. 以上原因的存在提升了復烤出口水分控制的難度,運用簡單的 PID 控制算法進行的閉環控制甚至不能保證系統的穩定,更談不上控制的精度.必須借助先進的控制理論和算法,同時結合實際情況對其進行控制才能保證控制的品質和精度. PID 算法本身的局限性有很多,不能適用于復烤機控制系統,原因如下: 具有反向特性的非最小相位系統 具有嚴重頻繁干擾的過程系統 多變量強耦合系統 帶有約束的控制系統 大滯后系統 這也是目前無法實施煙葉出口水分閉環控制的原因. 3 由于煙葉復烤過程的復雜性,建立嚴格的機理模型難度非常大,而一般對于先進控制來說,不知道被控對象的模型是無法實施先進控制策略的.因此,模型的建立是實施先進控制算法的關鍵所在.模型的精確與否直接影響控制的品質.過程特性多變性要求所設計的控制算法具有較強的自適應功能,在過程特性發生變化時及時的更改控制策略或控制參數.水分測量的不準確給控制帶來了極大的困難,在控制方案上必須采用手段對測量數據進行處理. 4 煙葉復烤出口水分控制系統最終的改造目的是實現整條生產線的全自動控制,正常工況下,操作人員根據加工煙葉的品種和等級選擇一組參數后,由控制系統實施復烤機出口水分的自動控制,考慮到整個項目的復雜性,首先我們針對目前復烤機出口水分控制的難點 -- 回潮段煙葉出口水分的閉環控制,在成功實施回潮段煙葉出口水分控制的基礎上,再逐步實施整個復烤機出口水分的全自動控制. 4.1 總體方案 目前煙葉復烤機控制系統主要采用PLC模塊,單回路調節儀表,現場操作站等,主要的控制回路通過傳統數據傳輸系統,Profibus DP網絡,單回路調節儀表和變頻器完成,中央控制室實施數據采集和監控,新的出口水分閉環控制系統將不改動和影響原系統,具體方案如下: 1 ) 增加一臺高可靠性工業計算機,安裝在生產裝置現場,同時進行相應的配置,以便和原有控制系統進行數據交換. 2 )修改原控制系統配置和相關通訊程序等,加入新增的計算機節點. 3 )將工業計算機接入控制網絡,采集有關復烤機的過程數據. 4 )適當修改原PLC程序,確保新老控制系統可互相切換,同時不影響原控制系統. 5)增加的工業計算機不僅可采集和分析有關復烤機過程數據,還完成復烤機煙葉出口水分的閉環控制,有關控制用數學模型也在此建立. 6 )該工業計算機同時可用于今后熱風潤葉筒的水分全自動控制,完全在項目的逐步實施過程中保證硬件投資高效益,同時以進一步提高整個生產線的自動化水平和提升生產產品質量,為企業創造更大的經濟效益和品牌效益. 4.2閉環控制方案設計 針對以上對復烤過程的分析,以及我們在國內某知名卷煙廠成功應用的案例(烘絲機水分控制,該案例徹底解決了烘絲機水分控制的難題)我們認為采用模型預測控制的先進控制算法,可以對復烤水分進行閉環優化控制,提高控制的精度,減輕操作人員的勞動強度及對操作人員的依賴,提高復烤廠的經濟效益.模型預測控制誕生于20世紀70年代,經過20多年的發展與應用,這種控制策略已經在復雜的工業過程中獲得了廣泛的應用.預測模型的功能是根據對象的歷史信息和未來的輸入來預測其未來的輸出.這里強調模型的功能而不強調其結構形式.滾動優化與通常的離散最優控制算法不同,是在線反復進行優化計算,滾動實施,從而使模型失配,時變,干擾等引起的不確定性能及時得到彌補,提高了系統的控制效果. 5 實現回潮出口水分模型預測優化控制,可以減少現場操作人員的生產強度,降低生產成本,提高復烤煙葉質量及合格率.這種控制方案對優化復烤生產過程的產品質量,整體提升工廠的科技水平和競爭力有著十分重要的意義. 具體表現在以下幾個方面: 降低煙葉水分控制的方差 : 使煙葉的水分,溫度穩定地達到規定的工藝技術指標,提高水分的控制精度,提高煙葉的等級,減少煙葉原材料的損耗和浪費. 提高產品質量及合格率,極大地減少生產過程出現的水跡煙和返箱. 克服人為因素的影響:如果不實施先進控制方案,由于回潮水流量的參數設定值都是操作工憑經驗給定,而不同的操作工的經驗,操作熟練程度及責任心都不同,因此控制效果因人而異,產品批次質量也因人而異,反映在復烤機出口處就使煙葉水分值不穩定. 降低操作人員的勞動強度:現在操作人員的勞動強度較大,頻繁的更改回潮水流量的參數設定值,如果實施先進控制,則由控制系統自動該設定值由機器進行更改操作人員只要對水分進行設定,減輕了操作強度. 減少設備的故障和事故,如果采用人工干預設置設定值參數,來適應外部因素變化,操作工是很困難的,造成操作幅度大,閥位波動大,易出現設備故障和事故,增加維護維修成本. 本方案保證工廠可以在較短的時間內回收項目投資,經濟效益顯著. 6 為確保煙葉復烤出口水分控制系統改造項目的順利實施,同時不影響正常的生產和操作,本項目的實施將分以下幾個階段進行: 第一階段主要是對復烤線控制系統和網絡進行分析,增加工業控制器,實施煙葉復烤過程數據的采集和分析. 第二階段主要進行出口水分閉環控制用數學模型的測試. 第三階段將根據建立的數學模型進行控制算法仿真測試. 第四階段將閉環控制系統投入現場模擬運行,但其控制信號并不真正輸出,進一步根據實際生產情況驗證出口水分閉環控制系統的可靠性. 第五階段將先進控制系統切換到閉環控制系統,進行試運行,并進一步改進控制系統性能. 最后將煙葉出口水分閉環控制系統投入長期運行.